一种液位测量逻辑控制电路及液位测量装置

1.本发明涉及液体深度测量领域，更具体地说是一种液位测量逻辑控制电路及液位测量装置。
技术背景
2.在当前液位测量技术领域，液位测量技术繁杂多样，有压力法，浮力法，电学法以及热学法等多种方法，但均为接触式测量法。有必要改进现有测量方法获得非接触且能准确测量液位的技术方案。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种能够精确测量低温液体深度、结构简单、安全实用、使用方便的测量装置及其液面测量的方法。
4.为了实现上述的目的，本发明的组成如下：
5.一种液位测量逻辑控制电路，包括非门一、非门二、与门一、与门二、与门三、或门、脉冲发生器、液位显示器、步进电机驱动器、液位传感器a、液位传感器b、步进电机，所述液位传感器a和液位传感器b均为非接触式贴片液位传感器，且一侧固定在滑块上，另一面贴临承装液体的容器，所述液位传感器a和液位传感器b移动至低于容器空间内液面高度时，分别发出高电平信号，所述液位传感器a和液位传感器b移动至高于容器空间内液面高度时，分别发出低电平信号，所述滑块被升降机构驱动沿容器壁滑行，液位传感器a较液位传感器b距容器底部的位置高，所述升降机构由步进电机驱动，步进电机从步进电机驱动器每接收到脉冲信号中的一段高电平时转动一步，并在步进电机驱动器的方向信号输入端接收高电平和低电平信号时分别使滑块的运动方向变为向上和向下；所述非门一和非门二的信号输出端电连接与门一的两个信号输入端，与门一的信号输出端电连接或门的第一信号输入端、液位显示器的加计数时钟输入端p及步进电机驱动器的方向信号输入端d，与门二的信号输出端电连接或门的第二信号输入端及液位显示器的减计数时钟输入端r，或门和脉冲发生器的信号输出端电连接与门三的两个信号输入端，与门三的信号输出端电连接液位显示器和步进电机驱动器的脉冲信号输入端pulse，所述液位显示器的脉冲信号输入端pulse接收到高电平信号时，液位显示器工作，同时，加计数时钟输入端p收到高电平信号时累计数加1，减计数时钟输入端r收到高电平信号时累计数减1；所述脉冲发生器产生周期性的方波信号，所述液位传感器a的信号输出端电连接与门二的第一信号输入端和非门一的信号输入端，液位传感器b的信号输出端电连接与门二的第二信号输入端和非门二的信号输入端。
6.进一步地，所述液位显示器包括可逆计数器芯片、单片机和led显示器，所述可逆计数器芯片的型号为74ls192，所述与门二的信号输出端电连接可逆计数器芯片的减计数时钟输入端r，与门一的信号输出端电连接可逆计数器芯片的加计数时钟输入端p，与门三的信号输出端电连接可逆计数器芯片的预置输入控制端即所述的脉冲信号输入端pulse，
所述可逆计数器芯片的进位输出端和借位输出端电连接单片机的输入端，单片机的输出端电led显示器。
7.进一步地，基于上述的电路的液位测量装置，其中，所述容器设有竖直布置的隔板，隔板在容器内分隔出承装液体的容器空间及不承装液体的夹层空间，所述升降机构包括在夹层空间内安装的随丝杠旋转沿丝杠和滑块导轨升降的滑块，所述丝杠及滑块导轨均竖直布置在夹层空间内，所述滑块与滑块导轨滑动连接，所述滑块面向所述隔板的一面设置有液位传感器b和液位传感器a，液位传感器b和液位传感器a交错布置或隔开布置，所述丝杠由步进电机驱动旋转。
8.进一步地，还包括温度传感器，所述液位传感器b和液位传感器a粘贴在恒温发热片上，恒温发热片固定在滑块面向隔板的一侧，温度传感器与控制器信号连接，控制恒温发热片的温度。
9.进一步地，所述非接触式贴片液位传感器与隔板紧贴。
10.进一步地，所述夹层空间内一侧竖直的容器壁为透明材料。
11.本发明的技术有益效果如下：
12.(1)本发明的丝杆滑块升降机构根据液位传感器a和液位传感器b反馈回的开关状态控制步进电机正反转，丝杆上的滑块随液面高度变化而变化；
13.(2)当温度传感器感知环境温度低于-10℃时自动开启恒温加热片，保证传感器能正常工作。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明的设备的正视图；
16.图2为本发明的设备的左视图；
17.图3为本发明的设备测量出的脉冲-深度曲线图；
18.图4为本发明的步进电机的控制电路；
19.图5为本发明中液位位于液位传感器b下方时的信号状态图；
20.图6为本发明中液位位于临界状态时的信号状态图；
21.图7为本发明中液位位于液位传感器a上方时的信号状态图；
22.图8是液位显示器的电路图。
具体实施方式
23.为使本发明的应用目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图1～附图4对本发明实施方式作进一步地详细描述。
24.本实施例所采用的电路元件——非接触式贴片液位传感器曾记载在中国专利cn210664659u和cn204241068u中，还记载在林小平发表的论文“一种非接触式液位开关设计及其应用”中，其组成包括接地金属电极、高频振荡电路、波形整形电路、高频整流电路和
电源电路。接地金属电极的作用是与待测液体形成接近电容，按照电容理论，金属电极与空气之间形成的电容大概几皮法，而与液体之间形成的电容会根据液位与电极的相互位置有关，从几皮法到几十皮法不等，高频振荡电路用于形成矩形波信号，输出到波形整形电路及高频整流电路，如果被测液位没有达到设定位置，即没有与接地电容形成电容，那么高频振荡电路产生的高频信号通过整流电路的作用形成低电平输出，表示液位未到设定位置；如果被测液位达到设定位置，即与接地电容形成电容，那么高频振荡电路产生的高频信号通过整流电路的作用形成高电平输出，表示液位到设定位置。
25.实施例1
26.基于螺旋丝杠结构测量液体深度的装置组成如下：
27.容器1、步进电机3、温度传感器5、丝杠6、滑块7、液位传感器b9、液位传感器a8、丝杠轴承10、恒温加热片11、滑块支撑座12、滑块导轨15、隔板13、液位测量逻辑控制电路30；
28.如图4，液位测量逻辑控制电路30包括非门一21、非门二22、与门一23、与门二24、与门三26、或门25、脉冲发生器29、液位显示器27、步进电机驱动器28，非门一21和非门二22的信号输出端电连接与门一23的两个信号输入端，与门一23的信号输出端电连接或门25的第一信号输入端、液位显示器27的加计数时钟输入端p及步进电机驱动器28的方向信号输入端d，与门二24的信号输出端电连接或门25的第二信号输入端及液位显示器27的减计数时钟输入端r，或门25和脉冲发生器29的信号输出端电连接与门三26的两个信号输入端，与门三26的信号输出端电连接液位显示器27和步进电机驱动器28的脉冲信号输入端pulse，步进电机驱动器28电连接步进电机3，步进电机驱动器28的脉冲信号输入端pulse接收高电平信号时使步进电机3转动，步进电机驱动器28的方向信号输入端d接收信号时改变步进电机3的转动方向，具体如地，步进电机驱动器28的方向信号输入端d和脉冲信号输入端pulse同时接收到高电平信号时，步进电机3正转使滑块7下降，步进电机驱动器28的方向信号输入端d接收到低电平信号且脉冲信号输入端pulse接收到高电平信号时，步进电机3反转使滑块7上升，步进电机驱动器28的方向信号输入端d接收到低电平信号且脉冲信号输入端pulse接收到低电平信号时，步进电机3停止旋转；液位显示器27的脉冲信号输入端pulse接收到高电平信号时，液位显示器27工作，同时，加计数时钟输入端p收到高电平信号时累计数加1，减计数时钟输入端r收到高电平信号时累计数减1；脉冲发生器29的信号为ne555，产生周期性的方波信号，因此步进电机驱动器28的脉冲信号输入端pulse每接收一个高电平信号遍使步进电机3转动一步。
29.液位传感器a的信号输出端电连接与门二24的第一信号输入端和非门一21的信号输入端，液位传感器b的信号输出端电连接与门二24的第二信号输入端和非门二22的信号输入端。
30.被测液体2承装在容器1内，容器1被竖直布置的隔板13分隔为承装液体2的容器空间和不承装液体2的夹层空间14，夹层空间14内安装有随丝杠6旋转沿丝杠6和滑块导轨15升降的滑块7，丝杠6及滑块导轨15均竖直布置在夹层空间14内，滑块6与滑块导轨15滑动连接，滑块6面向隔板13的一面设置有液位传感器b9和液位传感器a8，液位传感器b9和液位传感器a8粘贴在恒温发热片11上，恒温发热片11固定在滑块7面向隔板13的一侧，温度传感器5与控制器信号连接，控制恒温发热片11的温度，液位传感器b9和液位传感器a8与隔板13紧贴，液位传感器b9和液位传感器a8均为非接触式贴片液位传感器，且交错布置或隔开布置，
使液位传感器a8较液位传感器b9距容器底部的位置高，液位传感器a8和液位传感器b9移动至低于容器空间内液面高度时，分别发出高电平信号，液位传感器a8和液位传感器b9移动至高于容器空间内液面高度时，分别发出低电平信号。液位传感器a8和液位传感器b9输出信号后，非门一21、非门二22、与门一23、与门二24、或门25、与门三26、脉冲发生器29输出的信号状态如表1，表1里还包括液位显示器27的加计数时钟输入端p、液位显示器27的减计数时钟输入端r、步进电机驱动器28的方向信号输入端d、液位显示器27和步进电机驱动器28的脉冲信号输入端pulse在对应状态下接收到的信号状态。
31.非接触式贴片液位传感器8、9不与液体2接触。设备上电后系统进行初始化，在初始化完成时滑块7位于丝杠6最下端，夹层空间14内一侧竖直的容器壁16为透明材料，可在容器外观察滑块停留的位置确定容器内的液位高度。
32.表1
[0033][0034]
工作时，非接触式贴片液位传感器8、9将输出的开关量反馈给液位测量逻辑控制电路30，液位测量逻辑控制电路30通过脉冲信号输入端pulse和方向信号输入端d的电平信号状态来引导步进电机驱动滑块7运动的使得滑块7跟随液面运动。若液面处于传感器8、9的下方，传感器8、9由于无法感知液体输出低电平，即a＝0、b＝0如图5所示,液位测量逻辑控制电路30接收到传输的开关量后向步进电机3发送反向脉冲带动滚珠丝杠上的滑块7向下运动。反之a＝1、b＝1如图6所示，则液位测量逻辑控制电路30驱动滑块7向上运动。仅当传感器a8位于液面上方且输出低电平，传感器b9与液面接触输出高电平时滑块7停止运动，即a＝0、b＝1如图7所示，此时液位测量逻辑控制电路30实时读取脉冲步数并转化为液面高度。当液位测量逻辑控制电路30实时读取脉冲步数过低则说明容器内液体2余量低，系统报警。
[0035]
更进一步的液位测量逻辑控制电路30通过发送脉冲信号与方向信号给步进电机驱动器28，以此达到驱动步进电机3的目的，同时液位显示器27会记录步进电机3的脉冲步数并转化为液体2实际深度数值。
[0036]
优选的，在实验阶段选用的驱动丝杠6的步进电机3为ctm28-0601-150,步进电机3额定电流为0.5a，螺距为1mm，最大行程15cm，滑块每移动单位螺距距离对应脉冲发生器29发送的脉冲数为200，测量液位高度时所述脉冲-深度曲线如图3所示。
[0037]
优选的，加热器选用ptc恒温发热片，其尺寸小方便安装，二次开发便捷，表面恒温温度不会持续升高而损害设备。
[0038]
优选的，液位传感器8、9的型号为zct-yof07无接触时柔性液位传感器，该型号传感器不与液体直接接触，不受液体影响，并且该传感器使用年限长便于维护，能与容器表面
很好帖和易于安装。
[0039]
优选地，如图8液位显示器包括可逆计数器芯片74ls192、单片机at89c51和led显示器，与门二的信号输出端电连接可逆计数器芯片的减计数时钟输入端r，与门一的信号输出端电连接可逆计数器芯片的加计数时钟输入端p，与门三的信号输出端电连接可逆计数器芯片的预置输入控制端即脉冲信号输入端pulse，可逆计数器芯片的进位输出端co和借位输出端bo电连接单片机的输入端，单片机的输出端电led显示器。这样可以仅在脉冲发生器发出脉冲信号时，才进行液位的计数。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：整个装置能够在低温环境下实现对液体深度的精确检测，受到环境因素影响较小，并且安装调试简单不受液位高度限制，能够提升设备的自动化水平。

技术特征：
1.一种液位测量逻辑控制电路，其特征在于，包括非门一、非门二、与门一、与门二、与门三、或门、脉冲发生器、液位显示器、步进电机驱动器、液位传感器a、液位传感器b、步进电机，所述液位传感器a和液位传感器b均为非接触式贴片液位传感器，且一侧固定在滑块上，另一面贴临承装液体的容器，所述液位传感器a和液位传感器b移动至低于容器空间内液面高度时，分别发出高电平信号，所述液位传感器a和液位传感器b移动至高于容器空间内液面高度时，分别发出低电平信号，所述滑块被升降机构驱动沿容器壁滑行，液位传感器a较液位传感器b距容器底部的位置高，所述升降机构由步进电机驱动，步进电机从步进电机驱动器每接收到脉冲信号中的一段高电平时转动一步，并在步进电机驱动器的方向信号输入端接收高电平和低电平信号时分别使滑块的运动方向变为向上和向下；所述非门一和非门二的信号输出端电连接与门一的两个信号输入端，与门一的信号输出端电连接或门的第一信号输入端、液位显示器的加计数时钟输入端p及步进电机驱动器的方向信号输入端d，与门二的信号输出端电连接或门的第二信号输入端及液位显示器的减计数时钟输入端r，或门和脉冲发生器的信号输出端电连接与门三的两个信号输入端，与门三的信号输出端电连接液位显示器和步进电机驱动器的脉冲信号输入端pulse，所述液位显示器的脉冲信号输入端pulse接收到高电平信号时，液位显示器工作，同时，加计数时钟输入端p收到高电平信号时累计数加1，减计数时钟输入端r收到高电平信号时累计数减1；所述脉冲发生器产生周期性的方波信号，所述液位传感器a的信号输出端电连接与门二的第一信号输入端和非门一的信号输入端，液位传感器b的信号输出端电连接与门二的第二信号输入端和非门二的信号输入端。2.如权利要求1所述的液位测量逻辑控制电路，其特征在于，所述液位显示器包括可逆计数器芯片、单片机和led显示器，所述可逆计数器芯片的型号为74ls192，所述与门二的信号输出端电连接可逆计数器芯片的减计数时钟输入端r，与门一的信号输出端电连接可逆计数器芯片的加计数时钟输入端p，与门三的信号输出端电连接可逆计数器芯片的预置输入控制端即所述的脉冲信号输入端pulse，所述可逆计数器芯片的进位输出端和借位输出端电连接单片机的输入端，单片机的输出端电led显示器。3.基于权利要求2所述的电路的液位测量装置，其特征在于，所述容器设有竖直布置的隔板，隔板在容器内分隔出承装液体的容器空间及不承装液体的夹层空间，所述升降机构包括在夹层空间内安装的随丝杠旋转沿丝杠和滑块导轨升降的滑块，所述丝杠及滑块导轨均竖直布置在夹层空间内，所述滑块与滑块导轨滑动连接，所述滑块面向所述隔板的一面设置有液位传感器b和液位传感器a，液位传感器b和液位传感器a交错布置或隔开布置，所述丝杠由步进电机驱动旋转。4.如权利要求3所述的液位测量装置，其特征在于，还包括温度传感器，所述液位传感器b和液位传感器a粘贴在恒温发热片上，恒温发热片固定在滑块面向隔板的一侧，温度传感器与控制器信号连接，控制恒温发热片的温度。5.如权利要求4所述的液位测量装置，其特征在于，所述非接触式贴片液位传感器与隔板紧贴。6.如权利要求5所述的液位测量装置，其特征在于，所述夹层空间内一侧竖直的容器壁为透明材料。

技术总结
本发明公开了一种液位测量逻辑控制电路及液位测量装置，步进电机丝杠直线模组的滑台上交错安装有A、B非接触式贴片液位传感器。若传感器A、B位于液面上方则传感器分别输出A＝0、B＝0，单片机通过脉冲驱动滑台向下运动，减少脉冲计数；若传感器A、B位于液面下方则传感器分别输出A＝1、B＝1，单片机通过脉冲驱动滑台向上运动，增加脉冲计数；若传感器A、B处于临界状态则传感器分别输出A＝0、B＝1，滑台保持静止，脉冲计数不变，通过脉冲计数计算滑台移动距离以确定液体深度。动距离以确定液体深度。动距离以确定液体深度。


技术研发人员：余小飞 卢俊辉 郑茗侨 范志顺 杨志红
受保护的技术使用者：江汉大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8